Dans cette thèse, nous étudions à la fois des observables de basse et de haute énergie liée à la présence de neutrinos massifs. Les oscillations de neutrinos ont apporté des preuves indiscutables en faveur de l'existence de masses non-nulles et de mélanges. Néanmoins, la formulation originale du Modèle Standard ne permet pas d'expliquer ces observations, d'où la nécessité d'introduire de nouveaux modèles. Parmi de nombreuses possibilités, nous nous concentrons ici sur le seesaw inverse, un mécanisme générant des neutrinos massifs par l'ajout de fermions singulets de jauge au Modèle Standard. Ce modèle offre une alternative attractive aux réalisations habituelles du seesaw puisqu'il a des couplages de Yukawa potentiellement naturels (O(1)) tout en conservant l'échelle de la nouvelle physique à des énergies accessibles au LHC. Parmi de nombreux effets, ce scénario peut générer de larges écarts à l'universalité leptonique. Nous avons étudié ces signatures et trouvé que les rapports R_K et R_π constituent de nouvelles contraintes pour le seesaw inverse. Nous nous sommes aussi intéressé à l'intégration de l'inverse seesaw dans différents modèles supersymétriques. Ceci conduit à une augmentation de la section efficace de divers processus violant la saveur leptonique du fait de contributions plus importantes venant des diagrammes pingouins comportant un boson de Higgs ou Z. Finalement, nous avons aussi trouvé que les nouveaux canaux de désintégration ouverts par la présence de neutrinos stériles dans les modèles de seesaw inverse supersymétriques peuvent significativement relaxer les contraintes sur la masse et les couplages d'un boson de Higgs CP-impair. / In this doctoral thesis, we study both low- and high-energy observables related to massive neutrinos. Neutrino oscillations have provided indisputable evidence in favour of non-zero neutrino masses and mixings. However, the original formulation of the Standard Model cannot account for these observations, which calls for the introduction of new Physics. Among many possibilities, we focus here on the inverse seesaw, a neutrino mass generation mechanism in which the Standard Model is extended with fermionic gauge singlets. This model offers an attractive alternative to the usual seesaw realisations since it can potentially have natural Yukawa couplings (O(1)) while keeping the new Physics scale at energies within reach of the LHC. Among the many possible effects, this scenario can lead to deviations from lepton flavour universality. We have investigated these signatures and found that the ratios R_K and R_π provide new, additional constraints on the inverse seesaw. We have also considered the embedding of the inverse seesaw in supersymmetric models. This leads to increased rates for various lepton flavour violating processes, due to enhanced contributions from penguin diagrams mediated by the Higgs and Z bosons. Finally, we also found that the new invisible decay channels associated with the sterile neutrinos present in the supersymmetric inverse seesaw could significantly weaken the constraints on the mass and couplings of a light CP-odd Higgs boson.

La désintégration $B_{ (s)}$ → τμ est supprimée dans le SM, où le nombre leptonique est conservé. Son observation serait donc une preuve non ambiguë de la physique au-delà du SM. Des résultats récents [1,2] ont ravivé l'intérêt pour la recherche de tels processus [3]. Cette thèse présente la recherche des désintégrations $B_{ (s)}$→ τμ dans l'expérience LHCb, l'une des 4 grandes expériences menées au Large Hadron Collider (LHC) du CERN.Le lepton τ se désintègre avant d'atteindre le détecteur LHCb et est reconstruit en utilisant le canal τ → πππν. Le neutrino provenant de la désintégration du τ échappe à la détection. Une technique de reconstruction spécifique est utilisée pour déduire l'énergie du neutrino et donc la masse invariante du méson B qui s'est désintégré.Afin de séparer le signal du bruit de fond, une sélection hors ligne composée de différentes étapes est appliquée. Des techniques d'analyse multivariées, telles que les arbres de décision boostés (BDT), sont utilisées pendant le processus de sélection.La stratégie d'analyse est complétée par un ajustement simultané à la distribution de masse invariante des mésons B dans différentes régions d'un BDT final. Selon les prédictions du SM, aucun événement de signal n'est attendu. Dans ce cas, la méthode CLs sera utilisée pour extraire les limites supérieures des rapports de branchement BR($B_{ (s)}$→ τμ).[1] Test of lepton universality using $B^+$→$K^+$$l ^+$$l ^-$ decaysPhys. Rev. Lett. 113, 151601 (2014)[2] Measurement of the ratio of branching fractions BR(B → D*τ ν)/BR(B → D*μν)Phys. Rev. Lett. 115 (2015) 111803[3] Lepton Flavour Violation in B Decays ? Phys. Rev. Lett. 114, 091801 (2015) / The decay $B_{ (s)}$→τμ is suppressed in the SM, in which lepton flavour is conserved. Its observation would therefore be an unambiguous evidence of physics beyond the SM. Recent results [1,2] revived the interest for the search of such processes [3]. This thesis presents the search for the $B_{ (s)}$→τμ decays within the LHCb experiment, one of the 4 large experiments operated at the CERN Large Hadron Collider (LHC).The τ lepton decays before reaching the LHCb detector and is reconstructed using the τ→πππν channel. The neutrino from the τ decay escapes detection. A specific reconstruction technique is used in order to infer the energy of the ν and thus the invariant mass of the decaying B meson. This way, the complete kinematics of the process can be solved up to a two fold ambiguity.In order to disentangle signal from background, an offline selection consisting of different steps is applied. Data driven and multivariate analysis techniques, such as Boosted Decision Trees (BDT), are used during the selection process. The analysis strategy is completed by a simultaneous fit to the B meson invariant mass distribution over the different bins of a final BDT. According to the SM expectations, no signal events should be observed. In this case, the CLs method will be used to extract the upper limits on the branching fractions.[1] Test of lepton universality using $B^+$→$K^+$$l ^+$$l ^-$ decaysPhys. Rev. Lett. 113, 151601 (2014)[2] Measurement of the ratio of branching fractions BR(B → D*τ ν)/BR(B → D*μν)Phys. Rev. Lett. 115 (2015) 111803[3] Lepton Flavour Violation in B Decays ? Phys. Rev. Lett. 114, 091801 (2015)

Les courants neutres changeant la saveur b -> sl⁺l⁻ ne sont autorisés dans le Modèle Standard (MS) qu'au niveau des boucles.Par conséquent, ils sont sensibles aux éventuels effets de la Nouvelle Physique (NP) au-delà du MS.Dans le MS, les transitions b -> se⁺e⁻ et b -> sμ⁺μ⁻ ont la même probabilité, cette propriété est appelée l'universalité du couplage aux leptons (UL).Tester l'UL dans les désintégrations de hadrons beaux a récemment été un domaine prometteur pour les recherches de NP. Des tensions par rapport aux prédictions du MS, de l'ordre de 2,5 déviations standards, ont été observées dans les désintégrations rares B -> K(*) l⁺l ⁻. À ce jour, les tests de l'UL ont été effectués uniquement sur des désintégrations de mesons beaux.Cette thèse présente un premier test de la UL dans la désintégration rare du baryon Lambdab -> pK l⁺l⁻ , en utilisant les données collectées par l'expérience LHCb au CERN en 2011, 2012 et 2016. La sensibilité statistique attendue est d'environ 15%, tandis que la valeur centrale reste aveuglée.La première mesure du rapport de branchement de la désintégration Lambdab -> pKμ⁺μ⁻ est effectuée avec une précision statistique de 5,3%.En outre, cette thèse présente la première observation de la désintégration Lambdab -> pKe⁺e ⁻ , ainsi que la mesure de son rapport de branchement.Enfin, la désintégration Xib0 -> pKJ/ψ est observée et étudiée pour la première fois. / Flavor-changing neutral-current b ->sl⁺l⁻ transitions are forbidden at tree level in the Standard Model (SM), and can only occur at loop level. Therefore, they are sensitive to possible New Physics (NP) effects beyond the SM. In the SM, the transitions b ->se⁺e⁻ and b -> sμ⁺μ⁻ have the same probability to happen, this property is called lepton universality (LU). Probing LU in b-hadron decays has been recently a promising area for NP searches. Tensions with respect to the SM predictions at the level of about 2.5 standard deviations have been observed in rare B -> K(*)l⁺l ⁻ decays. To date, tests of LU have been performed only in decays of b-mesons.This thesis presents a first test of the LU in rare b-baryon decays Lambdab -> pK l⁺l⁻ using the data collected by the LHCb experiment at CERN, during 2011, 2012 and 2016 data-taking periods. The expected statistical sensitivity is about 15%, while the central value remains blind at the moment. The first measurement of the branching fraction of the decay Lambdab -> pKμ⁺μ⁻ is performed with the statistical precision of 5.3%.In addition, this thesis presents the first observation of the Lambdab -> pKe⁺e ⁻ decay, and the measurement of its branching fraction.Finally, a suppressed decay Xib0 -> pKJ/ψ is observed and studied for the first time.

L'objectif principal de cette thèse est de fournir une mesure aussi précise que possible de la masse du quark top dans son canal de désintégration semi-leptonique. Cette mesure expérimentale est réalisée à l'aide du détecteur ATLAS, installé auprès du LHC, un collisionneur proton-proton. Les motivations principales à cette mesure de précision sont les contraintes qu'elle apporte aux modèles de physique. Par ailleurs, la masse du quark top est un paramètre permettant d'estimer l'état de stabilité du vide dans le cadre du Modèle Standard, à l'échelle de Planck. Les jets sont des objets dont l'étalonnage en énergie est cruciale pour la mesure. Une étude détaillée de cette calibration est présentée, et notamment l'impact des conditions réelles de prises de données sur la performance de ces objets. La mesure de masse utilisant les données prises en 2011 à une énergie dans le centre de masse de 7 TeV est détaillée. Cette mesure utilise une méthode d'analyse particulière, appelée méthode des templates tridimensionnels. La masse du quark top mesurée est: mtop = 172.01 ± 0.92 (stat) ± 1.17 (syst) GeV. Les données prises en 2012 à une énergie dans le centre de masse de 8 TeV sont aussi analysées, et une mesure préliminaire de la masse du quark top est fournie: mtop = 172.82 ± 0.39 (stat) ± 1.12 (syst) GeV, la combinaison des deux mesures donnant le résultat le plus précis de cette thèse: mtop = 172.64 ± 0.37 (stat) ± 1.10 (syst) GeV. / The main goal of this thesis is to provide a measurement as accurate as possible of the top quark mass in the semi-leptonic decay channel. This experimental measurement is made thanks to the ATLAS detector near LHC, a proton-proton collider. The main interests for this precison measurement are the physics constraints to the theoretical models of fundamental constituents. Besides, the top quark mass is a parameter allowing to have more information on the vacuum stability at the Planck scale within the Standard Model. Jet energy calibration is crucial to this measurement. The impact of real data taking conditions on this calibration and on jet performance is detailed. The top quark mass measurement using 2011 data collected at an energy in the center-of-mass of 7 TeV is presented. It is using a tridimensional template analysis method. The measured top quark mass is: mtop = 172.01 ± 0.92 (stat) ± 1.17 (syst) GeV. The 2012 data collected at an energy in the center-of-mass of 8 TeV are also analysed, and a preliminary result for the top quark mass is provided: mtop = 172.82 ± 0.39 (stat) ± 1.12 (syst) GeV, the combination of both measurements being the most accurate result of this thesis: mtop = 172.64 ± 0.37 (stat) ± 1.10 (syst) GeV.

Une recherche indépendante de saveur du boson de Higgs neutre dans les canaux à quatre jets, e+e- -> h(hadrons)Z(qqbar), avec énergie manquante, e+e- -> h(hadrons)Z(nu nubar) et leptonique, e+e- -> h(hadrons)Z(e+e-, µ+µ-) est effectuée.<br> Les données analysées ont été enregistrées par le détecteur ALEPH auprès du LEP durant les années 1998, 1999 et 2000, avec des énergies dans le centre de masse situées entre 189 et 210 GeV.<br><br> Les sélections dans les canaux à quatre jets et avec énergie manquante sont basées sur la méthode multivariable des réseaux de neurones, qui combine de façon non linéaire les différentes informations qui décrivent le signal. Afin d'obtenir une sélection indépendante de la saveur des produits de désintégration du boson de Higgs, ces informations sont des variables purement topologiques et cinématiques.<br> La sélection dans le canal leptonique est réalisée par une succession de coupures qui tirent profit de la très bonne identification des électrons et des muons.<br><br> En appliquant ces sélections aux données enregistrées par ALEPH, aucun excès d'événements révélant la présence d'un signal n'est observé. Ceci permet de restreindre les valeurs permises de la masse du boson de Higgs neutre, sa section efficace et son rapport d'embranchement en hadrons.<br> Ce résultat est exprimé par une zone d'exclusion à 95% de niveau de confiance dans un espace à deux dimensions, à partir duquel il est possible de vérifier si un modèle particulier est exclu ou non par l'expérience.<br><br> Ce résultat général est interprété dans le cadre du Modèle Standard et du MSSM. Dans le cadre du Modèle Standard, une limite inférieure de 109.5 GeV/c2 sur la masse du boson de Higgs à 95% de niveau de confiance est obtenue.

L'expérience Double Chooz a pour but la mesure de l'angle de mélange thêta13 via l'étude des oscillations d'antineutrinos électroniques produits par les réacteurs nucléaires de Chooz, à l'aide de deux détecteur identiques, permettant ainsi de s'affranchir de la plupart des incertitudes systématiques. Le détecteur proche, dont le but est la normalisation du flux émis, sera opérationnel en 2013, alors que le lointain, qui prend des données depuis avril 2011, est quant à lui sensible à thêta13, c'est-à-dire à un déficit et une déformation spectrale des antineutrinos électroniques détectés. Au sein de cette thèse l'expérience Double Chooz est présentée, avec sa source de neutrino, sa méthode de détection, et les signal et bruits de fond attendus. Afin de sélectionner ces évènements, de nombreuses quantités doivent être reconstruites, étalonnées et sauvegardées dans des fichiers de données. Un soin spécial est donc apporté à la présentation de la détermination des retards en temps des canaux d'acquisition, de l'algorithme de reconstruction d'énergie et de vertex CocoReco, du logiciel compilant les outils de reconstruction Common Trunk et du réducteur de données Cheetah. En ce qui concerne l'analyse, toutes les coupures de sélection et leurs résultats sont présentés. En particulier, la coupure de multiplicité, la méthode des multiples fenêtres en temps décalées, le véto lithium, et les études relatives au bruit de fond 9Li sont discutés. Pour 227,93 jours de données du détecteur lointain, 8249 candidats neutrino ont été observés. La prédiction du flux émis utilise la mesure de l'expérience Bugey 4 en corrigeant des différences de composition des coeurs. En l'absence d'oscillation, 8937 évènements étaient attendus. Ce déficit est interprété comme une disparition d'antineutrinos électroniques. Une analyse utilisant cette information et la déformation spectrale des antineutrinos électroniques donne sin^2 (2thêta13) = 0,109 +- 0,030 (stat) +- 0,025 (syst) pour Delta m31^2 = 2,32 10^-3 eV^2. L'hypothèse de non-oscillation est exclue à 2,9 sigmas.

L'objectif principal de cette thèse est de fournir une mesure aussi précise que possible de la masse du quark top dans son canal de désintégration semi-leptonique. Cette mesure expérimentale est réalisée à l'aide du détecteur ATLAS, installé auprès du LHC, un collisionneur proton-proton. Les motivations principales à cette mesure de précision sont les contraintes qu'elle apporte aux modèles de physique. Par ailleurs, la masse du quark top est un paramètre permettant d'estimer l'état de stabilité du vide dans le cadre du Modèle Standard, à l'échelle de Planck. Les jets sont des objets dont l'étalonnage en énergie est cruciale pour la mesure. Une étude détaillée de cette calibration est présentée, et notamment l'impact des conditions réelles de prises de données sur la performance de ces objets. La mesure de masse utilisant les données prises en 2011 à une énergie dans le centre de masse de 7 TeV est détaillée. Cette mesure utilise une méthode d'analyse particulière, appelée méthode des templates tridimensionnels. La masse du quark top mesurée est: mtop = 172.01 ± 0.92 (stat) ± 1.17 (syst) GeV. Les données prises en 2012 à une énergie dans le centre de masse de 8 TeV sont aussi analysées, et une mesure préliminaire de la masse du quark top est fournie: mtop = 172.82 ± 0.39 (stat) ± 1.12 (syst) GeV, la combinaison des deux mesures donnant le résultat le plus précis de cette thèse: mtop = 172.64 ± 0.37 (stat) ± 1.10 (syst) GeV.

Le mécanisme de génération de masses des neutrinos, la nature de la matière noire et l’origine de l’asymétrie baryonique de l’Univers sont les trois questions les plus pressantes dans la physique moderne des astroparticules, qui exigent l’introduction d’une nouvelle physique au-delà du Modèle Standard. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur ces trois questions en fournissant une solution possible en termes d'une extension minimale du Modèle Standard, constituée par l’ajout d'un ensemble de fermions stériles au contenu des champs de la théorie. Les fermions stériles sont des champs qui sont singlets de jauge et qui peuvent interagir avec les neutrinos actifs à travers des termes de mélange. Nous nous concentrons sur le mécanisme dit de l’Inverse Seesaw (ISS), qui est caractérisé par une faible échelle de la nouvelle physique (de l’ordre TeV ou inférieure) et qui peut être testé dans les installations expérimentales actuelles et futures.
Nous présentons l'analyse qui permet d’identifier les réalisations minimales de ce mécanisme et l'étude phénoménologique pour prendre en compte la masses des neutrinos légers et pour imposer toutes les contraintes expérimentales pertinentes au modèle, ainsi que les signatures expérimentales attendues. Nous montrons la viabilité de l’hypothèse que les neutrinos stériles constituent la matière noire, et les caractéristiques de cette solution dans le mécanisme minimale de l’ISS. La possibilité d’expliquer avec succès l'asymétrie baryonique à travers un processus de leptogenèse dans une réalisation testable du mécanisme est aussi adressée.
Il est important de chercher des manifestations des fermions stériles dans les expériences de laboratoire. Nous abordons ce point en faisant des prévisions sur les rapports des branchement attendus pour les désintégrations des bosons vectoriels qui violent le saveur leptonique, qui peuvent être véhiculés par les fermions stériles. Nous étudions aussi l'impact des fermions stériles sur les fits globaux des données de précision électrofaible. / The neutrino mass generation mechanism, the nature of dark matter and the origin of the baryon asymmetry of the Universe are three compelling questions that cannot be accounted for in the Standard Model of particle physics. In this thesis we focus on all these issues by providing a possible solution in terms of a minimal extension of the Standard Model, consisting in the addition of a set of sterile fermions to the field content of the theory. Sterile fermions are gauge singlet fields, that can interact via mixing with the active neutrinos. We focus on the Inverse Seesaw mechanism, which is characterised by a low (TeV or lower) new physics scale and that can be tested in current and future experimental facilities. We present the model building analysis that points towards the minimal realisations of the mechanism, and the phenomenological study in order to accommodate light neutrino masses and to impose all the relevant experimental constraints in the model, as well as the expected experimental signatures. We show the viability of the sterile neutrino hypothesis as dark matter component, together with the characteristic features of this scenario in the minimal Inverse Seesaw mechanism. The possibility of successfully accounting for the baryon asymmetry in a testable realisation of the leptogenesis mechanism is also addressed.On the other side it is important to look for manifestations of sterile fermions in laboratory experiments. We address this point by making predictions for the expected rates of rare lepton number violating decays of vector bosons, that can be mediated by sterile fermions, as well as by studying the impact of sterile fermions on global fit of electroweak precision data.

Des progrès expérimentaux importants sont en cours dans l’étude des désintégrations rares de mésons contenant un quark beau et impliquant un quark étrange et une paire de leptons. Le travail présent mesure la portée indirecte de ces progrés sur des extensions supersymétriques du modèle standard. Même dans des modèles contraints, les limites indirectes ainsi obtenues peuvent dans certains cas être plus fortes que celles provenant de la recherche directe de particules supersymétriques. La précision gagnée par les facteurs de forme et les corrections d’ordre supérieur nouvellement implémentés dans le programme public ”SuperIso” montrent alors leur importance. / There are fast progresses in the experimental study of rare decay sof mesons containing a b-quark, and involving a pair of leptons and an s-quark. The present work measures the indirect implications of these progresses on the supersymmetric extensions of the Standard Model. Even within constrained models, the indirect limits obtained in this way can in some cases be stronger than those coming from direct searches of supersymmetric particles. The accuracy gained by the form factors and higher order corrections newly implemented in the public code ”SuperIso” are then fully relevant.